煤矿采空区充填密闭挡墙受力监测与防溃浆实操指南

01 采空区充填挡墙垮塌与溃浆事故灾变机理

在煤矿井下充填开采的作业现场，老采矿人和驻井总工最不愿听到、也最怕见到的现场对讲机呼叫，莫过于采充车间班长带着颤音喊出的一句：“挡墙裂了，浆正往外冒！”

很多人在地面看充填实验，以为煤矸石膏体或高水材料就像泥水一样，流进采空区慢慢沉淀变干。但在千米井下的采煤工作面回风巷或皮带顺槽尽头，截面宽达四五米、高达三四米的密闭挡墙背后，充填料浆本质上是一体积庞大、密度高达每立方米1.8至2.1吨的“流体蓄水库”。

一旦几百立方米的黏稠湿浆被高压充填泵以每小时80至150立方米的流量持续注入采空区，如果挡墙本身抗剪、抗倾覆或抗弯刚度不足，数千千牛的推力就会在几十分钟内集中作用在薄薄的一道墙体上。如果挡墙底脚被推移、墙身鼓包拉裂乃至整体爆模崩塌，几百吨带有水泥和细矸微粉的浆液会瞬间顺着顺槽以数米每秒的初速度狂涌而出。顷刻之间，机电槽道、高压电缆、刮板输送机机头和巡检通道将被全部淹没，不但造成直接经济损失上百万元、全矿停产整顿，甚至可能直接威胁下风侧作业人员的人身安全。

我们在神府、榆林以及晋北多个矿井的排查中，拆解过多次险些酿成大祸的挡墙险情。看似结实的密闭墙之所以被推垮，根源从来不是单一维度的质量问题，而是以下三个环环相扣的力学破坏链条：

1. 浆体流体静侧压的梯形集中分布

刚充入采空区的煤矸石膏体或高水单液浆，在失去流动性初凝之前，其物理性质极度接近重质流体。根据流体静力学基本规律，侧向水平压力与充填高度呈线性正比关系。这意味着在高度为 $H$ 的密闭空间内，墙体最上方承受的压力接近于零，而墙体最底部与巷道底板相交的角隅区域，承受的侧向压力达到峰值。

以榆林某矿4.0m高的厚煤层充填工作面为例，当充填料浆密度为 $1.9\,\text{t/m}^3$（容重约 $19\,\text{kN/m}^3$）时，连续注浆注满采场瞬间，挡墙底部承受的最大静水侧压力理论值直接飙升至 $76\,\text{kPa}$。换算成推力，宽5.0m、高4.0m的一道标准回风巷挡墙，背面承受的总水平推力高达惊人的 $760\,\text{kN}$，相当于近 78 吨重的水平集中荷载直接撞在墙面上。普通双层红砖用砂浆砌筑，抗剪强度通常仅有 $0.2\sim 0.3\,\text{MPa}$，面对如此巨大的持续剪切推力，如果没有坚固的基底反作用力支撑，墙体底部会被瞬间“齐根推平”。

2. 基底抗剪滑移与顶板脱空诱发的弯剪断裂

由于巷道底板往往存在浮煤、泥化软岩或积水润滑，许多施工队伍为了赶进度，省去了“掏槽挖基础”和“打设底板抗剪锚杆”这两道关键工序，直接在光滑的煤底上砌砖架模。这就使得挡墙与底板的黏聚力和摩擦角大打折扣。当浆体高度超过1.5米时，水平推力克服底面摩擦力，挡墙整体沿底板发生水平滑移。

与此同时，采空区后方顶板随割煤推进不断发生沉降变形。如果挡墙顶部与巷道顶板采用刚性硬顶，顶板剧烈下沉会直接将上万千牛的垂直顶板压力转嫁到薄弱的挡墙上，直接把砖砌体压裂崩碎；如果顶部留有缝隙未做柔性密闭封堵，料浆液面一旦超过墙体有效封闭高度，未凝固的高压浆液就会顺着顶板缝隙呈“瀑布式”喷射溢流，冲刷破坏墙体上边缘，造成水力劈裂。

3. 未控泌水积聚引发的局部渗透破坏

高水充填材料水灰比较高（常达 1.5:1 至 2.5:1），在泵送充填过程中，不可避免存在部分游离水泌出。如果挡墙没有设计专用的微孔滤水排气通道，大量游离水会富集在挡墙背部上方，形成局部的超高水压头。水不仅增加了侧压力，还会沿着砌体灰缝或混凝土接缝发生微孔渗漏。随着渗漏带走胶结物颗粒，细小渗水孔在短短半小时内便会迅速恶化扩展为贯通性管涌通道，最终导致整面墙体在泥沙剥蚀中发生溃决。

02 四大主流密闭挡墙结构选型对账

在井下充填开采工程中，绝不存在“放之四海而皆准”的挡墙结构。选砖砌墙、架槽钢喷混凝土，还是上预应力柔性网膜袋，必须根据巷道服务年限、断面尺寸、采空区单次充填量以及流体最大侧压力指标进行严格对账。

我们在多个矿区推广充填工程时，针对一线常见的四种挡墙构型，梳理了一份详尽的技术经济参数与抗溃浆安全裕度对照表：

从上表的定量对比中可以清晰看出：传统红砖砌筑挡墙虽然就地取材、看起来单次买材料便宜，但其施工工期漫长（需要两班甚至三班倒连夜砌砖）、灰缝密实度完全依赖泥瓦工个人手艺，抗剪承载力上限极低（通常很难稳定耐受超过 $30\, ext{kPa}$ 的持续静侧压）。在日进尺快、充填方量动辄上千立方米的现代化综采充填矿井中，继续沿用砖墙砌筑，无异于在高速公路上开拖拉机，不仅严重拖累割煤推进接续，更是给后方埋下了一颗不知何时就会起爆的安全雷管。

针对榆林与神府矿区常见的 $3.0\sim 4.5\, ext{m}$ 大采高采场，目前推荐且在现场经受住实践考验的，是以 “16#~18#矿用工字钢立柱抗剪排桩 + 底板深孔植筋倒钩锚杆 + 柔性透水阻浆土工滤袋” 构成的复合受力结构。工字钢立柱直接打入顶底板掏槽（掏槽深度顶板不小于 $200\, ext{mm}$，底板不小于 $300\, ext{mm}$），每根立柱间距严格锁死在 $0.6\sim 0.8\, ext{m}$。在工字钢背面铺设双层高强经纬编织土工格栅，内衬透水不透浆的阻燃芳纶滤布。这种设计既保证了钢铁骨架能够硬扛上百吨的整体推力，又允许游离水在重力作用下通过布孔自然析出排出，从物理上消解水压头聚集，防爆模安全系数可直接提升 3 倍以上。

03 挡墙受力监测系统构建与红线阈值

有了坚固的物理骨架，是否就意味着可以高枕无忧、盲目泵送了？绝非如此。

过去许多溃浆事故之所以不可收拾，正是因为现场完全处于“盲充”状态。注浆泵在地面以十几兆帕的高压拼命往下压浆，井下回风巷挡墙前面却空无一人。当工字钢发生弯曲变形、滤布被顶出鼓包时，地面操作员毫无感知；直到挡墙崩决、浆体淹过回风巷瓦斯传感器导致全矿断电报警时，才慌忙停泵，但此时几十上百方浆料早已倾泻而出。

要彻底消除这种被动挨打的盲区，必须在挡墙受力关键部位安装感知神经。中矿天智与中国矿大科研团队研发的采空区充填挡墙智能监测系统，核心就是在挡墙结构上构筑起由 “微型振弦式土压力盒 + 光纤光栅多点应变规 + 激光非接触位移传感器” 组成的在线监测矩阵：

[采空区高压充填流体] 
      │ (静侧压力梯形施加)
      ▼
[挡墙受力感知面] ──> 底脚/腰部/顶端微型土压力盒(测量实际流体推力)
      │
      ├──> 工字钢立柱中段光纤光栅应变计(测量钢结构弯曲形变)
      │
      └──> 墙面前方防爆激光位移测距仪(实时监测墙体向外滑移量)
            │
            ▼ (本安型数据采集分站 / LoRa无线上传)
[地面充填智能监控大屏] ──(超限自动声光报警并连锁气动切断阀)

在实际施工安装过程中，传感器的测点布设必须讲求严格的力学点位逻辑，绝不能胡乱悬挂：

1. 底部土压力盒（主控点）： 安装于墙体背面正中心垂直距底板 $0.3\sim 0.5\, ext{m}$ 处。此区域处于静水侧压峰值区，是全墙承受破坏性荷载的第一道警戒线。
2. 腰部土压力盒（校核点）： 安装于墙体高度 $1/2$ 处。用于实时反演浆体液面实际攀升高度与稠度变化速率。
3. 立柱应变规： 牢固焊接或高强结构胶固定在中间受力最大的工字钢受拉翼缘表面。监测工字钢弯曲正应力是否超出屈服极限（Q235钢为 $235\, ext{MPa}$）。
4. 墙面位移靶标： 在挡墙外侧中心与两帮角部安装高反光靶标，正前方 $5\, ext{m}$ 处的顶板锚杆上吊挂一台本安型红外激光测距传感器，毫米级精度测量墙体向巷道方向的鼓胀位移。

有了上面这套清晰量化的“红黄线”指标，井下巡检人员与地面泵站操作工之间不再依靠模糊的“感觉好像顶得挺紧”、“听声音好像差不多了”来做主观猜测，而是由传感器数据实时联动闭锁，把爆模溃浆的苗头直接掐死在萌芽状态。

04 分层间歇充填工艺与防爆模实操控制

在充填力学中，有一句总工程师们代代相传的黄金格言：“没有打不烂的挡墙，只有不会分层的充填。”

如果采空区空间高度达到 3.5 米，无论你的挡墙设计得多么厚重、用了多少吨工字钢，只要你试图一口气在 10 个小时内把它从底到顶一次性灌满，那么流体静水侧压就会呈直线不断累加，最终以近百吨的蛮力挑战材料的物理极限，爆模只是早晚的问题。

相反，如果我们巧妙利用煤矸石充填料浆自带的水化硬化特性，实施 “分层阶梯灌注、间歇触变自立” 工艺，侧压力就会被时空解耦彻底消解。其力学原理非常通俗生动：

现场工程大白话解读： 浇充填料浆就像砌台阶。第一天我们只浇 0.8 到 1.0 米高（刚刚没过挡墙底脚的一小截），然后果断停泵。等上 4 到 6 个小时，水泥和矿渣水化反应展开，这 1 米高的湿泥就会由流体变成像硬豆腐块一样的塑性体，进而硬化成抗压强度达到 $0.5\, ext{MPa}$ 以上的坚固岩块。这时候，它自己就能稳稳当当站立在底板上（自立自承），不再向前方挡墙施加哪怕一丝一毫的侧向流体压力！ 这时我们再启动充填泵灌第二层、第三层。虽然料浆总高度达到了三四米，但新灌进去的湿浆下面踩着的是坚硬的自立基石，挡墙所承受的侧压永远只有当期这一层薄薄新浆的重量，侧压力峰值直接被硬生生削减了 60% 以上！

在具体的工程执行中，分层间歇注浆必须严格遵循“定高度、控初凝、测泌水、接二期”的标准工步：

工步一：首层基础封堵浇筑（控高 0.8 ~ 1.0m）

首层充填料浆的主要任务是封死底帮缝隙、固结底板浮煤，并构筑起底层抗剪人工岩梁。

• 进浆控制：采用低速缓慢注入，泵送排量控制在 $40\sim 60\, ext{m}^3/ ext{h}$。
• 添加早强激发剂：在地面搅拌制浆时，首层料浆可适度将速凝早强组分掺量由常规的 1.5% 上调至 2.5%~3.0%，使料浆凝结硬化时间由通常的 8 小时大幅压缩至 3.5~4.5 小时。
• 浇筑高度红线：严格观察设在挡墙内侧的高程标尺，液面达到 $0.8\sim 1.0\, ext{m}$ 时，必须强制通知地面停泵。

工步二：间歇养护与触变自立等待（停泵 4 ~ 6h）

停泵后决不能擅自提前开泵二次浇筑，必须留足充分的水化时间：

• 观察排水与固化：巡检工在挡墙外观察滤水孔出水由浑变清、出水量由大转小直到近乎断流。
• 凝结度针入度实测：通过预留在挡墙腰部的测试孔，使用便携式针入贯入仪测试内侧料浆表面硬度。当针入阻力值超过 $1.2\, ext{MPa}$（折合单轴抗压强度达到 $0.3\sim 0.5\, ext{MPa}$）时，方可正式签发二期接续充填指令单。

工步三：二期主采场快速充填（充至标高 2.5 ~ 3.0m）

由于底部 1 米已经固化形成止推承载坎，第二期可以开足马力进行高效泵送：

• 泵送排量提升至额定值 $100\sim 140\, ext{m}^3/ ext{h}$。
• 此时第二层湿浆产生的水平侧压虽然施加在挡墙中上部，但力臂变短，且底部已有固化体充当抗滑移支撑，墙身整体弯矩处于最均衡状态。

工步四：三期微膨胀触变接顶浇筑（全断面密实接顶）

充填到最后距离顶板尚有 $0.3\sim 0.5\, ext{m}$ 的悬顶区域时，切换为专用微膨胀接顶料浆：

• 水灰比下调，掺入 0.5%~1.0% 的铝粉复合膨胀剂或发泡微球。
• 料浆在凝结过程中产生 0.2%~0.5% 的体积微膨胀，像发酵面包一样主动向上隆起，紧密咬合巷道不规则的顶板岩面，接顶率可达到 98% 以上，彻底杜绝采空区上部瓦斯聚积风洞。

05 突发溃浆与漏浆五步应急处置闭环

即便做足了力学验算和分层施工，在瞬息万变的煤矿井下，依然可能因为不可预见的断层破碎带错动、局部管路压力波动冲击或施工个别漏喷，引发局部穿孔漏浆甚至溃浆征兆。

面对突发险情，一线技术人员绝不能慌乱，更不能盲目组织工人在没有任何防护的情况下用沙袋或木头迎着高压喷浆去硬堵。必须严格按照以下标准化“五步法”进行闭环处置：

[步骤一：毫秒级切断] ──> 触发井下快速气动蝶阀，1.5秒切断进浆，地面泵站连锁急停
          │
[步骤二：低位泄压引流] ──> 开启挡墙旁路排污泄压管，将聚集的高压液体分流至水仓
          │
[步骤三：区域警戒撤人] ──> 挡墙下方50米严密拉设警戒线，逆风流疏散非作业人员
          │
[步骤四：高压注胶堵缝] ──> 采用风动双液注浆泵向穿孔裂隙高压注渗速凝聚氨酯(5分钟固结)
          │
[步骤五：固结复核复盘] ──> 压力恢复平稳、内窥窥视裂隙封堵密实后，重核参数方可复产

第一步：毫秒级切断——切断进浆源头

一旦发现挡墙有局部喷射状跑浆或土压力盒读数呈雪崩式异常激增，现场巡检工必须第一时间拍下安装在风门旁的“防爆紧急停浆急停按钮”。该按钮直接电气连锁管路前端的井下快速气动硬密封蝶阀，可在 1.5 秒内机械强制截断进浆，同时向地面输送跳闸信号，停止主泵送料。只有把注浆源头掐死，才能防止采空区内持续注入新的压力流体。

第二步：旁路泄压引流——消解滞留动压

挡墙在设计时，底部必须预留一条直径 $100\, ext{mm}$、带防爆耐压闸阀的备用泄压旁通管，该管道直接接入采区排水沟或临时导流池。停泵后立即人工微开该泄压阀门，使紧贴挡墙背部的部分游离浆水受控排泄，把墙体承受的侧压从临界爆破边缘快速泄压回落到安全区间。

第三步：区域警戒与逆风流撤人

跑浆发生时常伴随微量瓦斯涌出或水泥粉尘水汽弥漫。瓦检员和带班班长必须立即封锁回风顺槽入口，在挡墙正前方 50 米处拉设红色反光警示带，严禁任何人靠近正面迎浆区，防止墙体发生二次结构失稳伤人。

第四步：双液聚氨酯高压速凝注浆堵漏

针对破裂缝隙或管涌出浆口，严禁采用普通水泥砂浆去抹面封堵（水流冲刷会瞬间冲散砂浆）。现场必须常备一台风动双组分高压注浆泵和阻燃聚氨酯注浆材料。

• 在出浆点外围坚硬围岩上，使用风钻以 45 度角打设深度 $0.8\sim 1.2\, ext{m}$ 的注浆钻孔，安装高压注浆止浆针头；
• 将 A/B 双液聚氨酯以 1:1 体积比通过高压注浆枪压入裂隙深部。该材料遇水反应剧烈发泡膨胀 15 至 30 倍，且在 3 至 5 分钟内即可完全固化硬化成高韧性弹性固体，抗压强度高达 $15\, ext{MPa}$ 以上，能像钢栓一样瞬间咬死岩缝与墙缝，实现滴水不漏。

第五步：内窥窥视复核与追责复盘

堵漏完成后，静置等待 1 小时，使用本安型防爆钻孔内窥镜伸入挡墙内部观察固结封堵形态；同时复查土压力盒读数是否回归基准线。经生产副矿长与驻井总工程师现场联合签字验收通过后，方可调整配合比、降低泵送速度恢复后续充填。

06 榆林某千万吨级矿井工程实证

空谈理论不如实账对验。2025年6月，榆林神府矿区某年产 1200 万吨的大型智能化示范矿井，在 30206 综采工作面推行采空区煤矸石高浓度胶结充填。

该工作面煤层平均厚度 $3.8\, ext{m}$，倾角 $1^\circ\sim 3^\circ$，开采回风巷断面宽 $5.2\, ext{m}$、高 $3.8\, ext{m}$。在前期试验阶段，由于外包施工队伍缺乏防溃浆经验，沿用传统的“两砖一夹板”简单砖墙，在连续充填至第 8 个小时、浆体高度达到 2.8 米时，由于底角剪应力超限引发滑移，整面砖墙被顶出近 15 厘米的大裂口，流出近 60 立方米黏稠料浆，导致工作面皮带运输机直接停运 36 小时，直接清理人工与误工损失超 80 万元。

2025年下半年，中矿天智联合技术团队进驻该矿，对 30208 新工作面全部 14 道采空区密闭挡墙进行了彻底的技术重构：

1. 结构形式全维升级

淘汰全部红砖墙，全面改用 “18#矿用工字钢立柱排桩（间距0.7m）+ 底板深打 4 根 $\Phi 22 ext{mm}$ 高强抗剪锚杆（深入稳定基岩 1.5m）+ 内挂双层预应力阻燃高强透水滤袋” 复合结构，墙面外侧喷射 $150\, ext{mm}$ 厚 C25 钢纤维混凝土封闭层。

2. 监测感知网络落地

每道挡墙标配 3 只微型振弦式土压力盒（距底板 0.5m、2.0m、3.5m 处各一只）、2 组工字钢翼缘光纤应变片和 1 台激光红外位移监测仪。数据通过巷道 LoRa 本安网关实时上传至地面调度中心，设置了 $25\, ext{kPa}$ 预警与 $48\, ext{kPa}$ 紧急断浆保护阈值。

3. 分层充填与施工参数严格锁死

严格执行“两阶段三步浇筑法”：

• 第一阶段：充填高度严格控制在 $1.1\, ext{m}$，注浆流量 $60\, ext{m}^3/ ext{h}$，泵送耗时 2.5 小时；停泵静置养护 5 小时，待底部实测抗压强度达到 $0.42\, ext{MPa}$；
• 第二阶段：连续充填至 $3.4\, ext{m}$，流量恢复至 $110\, ext{m}^3/ ext{h}$；
• 第三阶段：末期微膨胀膏体触变接顶，接顶率经地质雷达无损检测达到 98.4%。

4. 运行效益实测账本

重构方案投入运行 14 个月以来，该采面累计完成采空区煤矸石充填量 42.6 万吨，共计浇筑各类隔离挡墙 28 道次：

• 安全指标： 28 道挡墙未发生哪怕一次鼓裂、跑浆或位移超限事故。监测数据显示，挡墙底部承受的最大动态侧压力被成功压制在 $28.4\, ext{kPa}$ 以内，远低于结构抗破坏极限（$75\, ext{kPa}$），抗溃浆安全储备系数高达 2.64；
• 工期效益： 新型柔性装配组合挡墙单道构筑耗时从过去的 48 小时大幅压降至 14 小时以内，为采面高速推进释放了充裕的采掘接续空间；
• 综合经济账： 相比传统频繁漏浆造成的清理工时浪费与停产风险，仅“零事故连续开采”一项，每年为该矿直接避免经济损失 350 万元以上，并顺利通过国家级绿色矿山现场验收复审。

07 常见工程疑问解答与验收自查对账单

常见疑问深度拆解 (FAQ)

#### Q1：井下有的技术员反映，在挡墙上打设排水孔总是容易被水泥颗粒堵死，导致不仅游离水排不出来，还容易形成局部高压甚至泥水渗漏，这在实操中该怎么彻底解决？

标准做法必须采用 “外粗内细级配反滤包覆结构”：内层为开孔率 $\ge 25\%$ 的多孔硬质 PVC 滤水管，外层第一道包裹 100 目的高强耐碱土工滤布（透水阻浆），第二道在其外侧套上透水弹簧软管与粗粒径棕榈麻丝缓冲垫，最外层再用细铁丝绑扎固定。这种结构形成了“三维立体粗孔导水通道”，料浆在靠近滤布时，细粉被有效阻截在采场内，而游离水可以在重力作用下顺畅汇入内部管路排出。同时，在滤管外端管口加装一个手动球阀，充填初期微开自流，充填完毕后关闭，既排出了清水，又杜绝了漏浆。

#### Q2：如果不小心发生了轻微的挡墙漏浆，现场能不能直接用注浆泵往采空区里注纯水泥膏或者双快水泥来应急堵漏？

应急第一原则永远是 “先彻底停泵泄压，再外部点对点局部注化学胶固化”。必须先利用气动快速蝶阀截断主供浆，打开旁路泄压管释放动水压力，然后人在挡墙安全外侧，利用风动轻型双液注浆泵把 3 分钟凝固的阻燃聚氨酯或者超高水速凝胶注入出浆孔围岩深部，从外向内“打补丁”，确认止浆后才能重新开泵。

充填密闭挡墙施工与验收自查对账清单

在每道密闭挡墙注浆充填前，矿井安检科、采充车间与技术科必须联合携带对账单下井逐项打勾核验。凡有一条不合格，严禁下达充填开泵指令：

• 地基与基底掏槽核查： 巷道底板浮煤与泥化软岩是否已彻底卧底清理露出坚硬基岩？基底掏槽深度是否达到设计要求（坚硬岩石 $\ge 200 ext{mm}$，煤质底板 $\ge 300 ext{mm}$）？
• 抗剪锚杆抗拔力抽检： 挡墙底部是否打设了底板深孔抗剪锚杆？锚杆锚固深度是否 $\ge 1.5 ext{m}$，现场拉拔力测试是否达到 $80 ext{kN}$ 以上？
• 型钢骨架规格与垂直度： 工字钢型号是否符合设计（不小于 16# 矿用工字钢）？立柱排桩间距是否严格锁死在 $\le 0.8 ext{m}$？型钢两端是否已分别牢固嵌入顶底板掏槽并卡紧？
• 滤水透水组件通畅性： 挡墙底部与腰部预留的反滤排水管是否安装到位？滤网外层级配反滤包覆是否完好无破损破洞？外端口排泄球阀是否开关灵活可靠？
• 受力传感器在线联调： 底部与腰部微型土压力盒是否已紧贴受力面安装并固定牢靠？电缆保护套管是否具备防砸防刮防潮措施？地面调度监控大屏是否已正常接收读数，报警阈值（$25 ext{kPa}$ 预警 / $45 ext{kPa}$ 闭锁）是否已写入系统 PLC 逻辑？
• 气动切断阀与应急闭锁： 进浆主管路上的快速气动切断蝶阀是否能在现场急停按钮按下后 2 秒内完全关死？气动阀备用气瓶气压是否维持在 $0.6\sim 0.8 ext{MPa}$？
• 分层充填施工令签发： 生产调度室是否已明确第一阶段充填控高极限（$\le 1.0 ext{m}$）与间歇等待时间（$\ge 4.5 ext{h}$）？现场是否已指定兼职测压观察员全程跟班在岗？